CN104459349A - 风电场雷电监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电场雷电监测系统，包括：工业相机，用于连续拍摄风电场的雷电图像；电场天线，用于检测雷电所产生的瞬时电场强度；工控机，分别与工业相机和电场天线连接，用于将所述雷电图像与瞬时电场强度进行匹配。相应的，还提供一种风电场雷电监测方法，由上，通过工业相机拍摄雷电图像判断风力发电机是否被雷击，以及通过电场天线检测雷击所产生的瞬时电场强度确定风力发电机的受损，在实现雷电监测的同时，大量降低成本。

Description

风电场雷电监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风电场监控技术领域，特别是指一种风电场雷电监测系统及方法。

背景技术

风力发电机组高度一般为几十甚至上百米，且多矗立在空旷区域，极易遭受雷击。据统计，每年约有1%的风力发电机组因雷击而严重损坏。随着风力发电机组的大型化，其耐受雷击的能力也显著增强，雷击并不一定造成风力发电机组立即损坏，而是给其带来隐性缺陷，风力发电机组运行一段时间后，缺陷极可能恶化并传递给相邻设备部件，造成设备的严重损坏事故。因此，有必要在风电场配备雷电活动监测系统，以统计风电场雷击数据、确认雷击位置，进而安排有针对性的设备检修和缺陷排查，防止严重损坏事故的发生。

现有的技术方案主要有两种：一种是通过在风力发电机组加装电流传感器来确定本台风力发电机组是否遭受雷击；另一种则是通过雷电产生的瞬态电磁场估算雷击位置。

其中，采用雷电流传感器的技术方案，虽然可以精准的确定被雷击中的风力发电机组，然而需要在每台风力发电机组上安装电流传感器并与升压站进行通信，由于风力发电机组数量较大、且比较分散，此技术方案的成本非常高；另外，利用雷电瞬态电磁场估算雷击位置的方案，但其定位误差要远大于风力发电机组之间的距离，难以确定被雷击中的风力发电机组的具体位置，因此不适用于风电场的雷电监测。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种风电场雷电监测系统及方法，通过拍摄雷电图像判断电场是否被雷击，以及通过检测雷击所产生的电场强度确定风力发电机的受损，在实现雷电监测的同时，大量降低成本。

所述风电场雷电监测系统，包括：

工业相机，用于连续拍摄风电场的雷电图像；

电场天线，用于检测雷电所产生的瞬时电场强度；

工控机，分别与工业相机和电场天线连接，用于将所述雷电图像与瞬时电场强度进行匹配。

由上，通过工业相机拍摄雷电图像判断风力发电机是否被雷击，以及通过电场天线检测雷击所产生的电场强度确定风力发电机的受损，在实现雷电监测的同时，大量降低成本。

可选的，还包括电场仪，用于检测风电场所在位置的地面电场强度；

所述工控机还与电场仪连接，用于依据地面电场强度控制工业相机开启。

由上，仅当风电场所在位置上空达到雷电条件时，控制工业相机开启，实现避免工业相机总处于开启状态，减少工业相机的拍摄数量，从而降低判断雷击的工作量。

可选的，工控机依据反时限特性曲线控制工业相机开启的时延时间。

由上，实现避免工业相机频繁的开启，且延长工业相机的使用寿命。

较佳的，所述工业相机至少包括第一工业相机，第二工业相机、第三工业相机和第四工业相机，所述四个工业相机分别朝向风电场的不同角度设置。

由上，实现工业相机对风电场的无死角拍摄。

可选的，所述工业相机与工控机之间，还包括图像识别单元，用于依据工业相机所拍摄前后帧图像的差别，识别出现雷电的图像。

由上，通过筛选出所拍摄的出现雷电的图像，进一步降低后期判断风力发电机是否被击中的工作量。

可选的，所述图像识别单元包括：

滤波模块，用于对所采集的图像行滤波处理，消除图像噪声；

像素灰度转换模块，与滤波模块连接，用于对改变图像的色彩属性，将所拍摄的彩色图像转换为灰度图像；

灰度偏差计算模块，与像素灰度转换模块连接，用于将当前帧图像与前一帧图像的各个像素点的灰度值进行差分运算，并将运算结果存放至一个数组当中；

灰度偏差判断模块，与灰度偏差计算模块连接，用于判断当连续像素的灰度差超过预期值时，认为当前帧图像中出现雷电。

由上，实现自动识别出现雷电的图像。

进一步的，还包括时钟单元，分别与工业相机和电场天线连接，用于分别对工业相机所拍摄的雷电图像和电场天线检测的瞬时电场强度加盖时间戳。

由上，通过判断同一时间产生的雷电图像和瞬时电场强度，即可将二者进行匹配。

本申请还提供一种风电场雷电监测方法，包括步骤：

A、电场仪检测地面电场强度；

B、工控机依据地面电场强度控制工业相机开启；

C、电场天线检测雷电所产生的瞬时电场强度，工控机接收工业相机所拍摄的雷电图像，以及接收电场天线检测的雷电所产生的瞬时电场强度，将所述雷电图像与瞬时电场强度进行匹配；

D、判断被击中的风力发电机编号，计算被击中的雷电流峰值。

由上，通过工业相机拍摄雷电图像判断风力发电机是否被雷击，以及通过电场天线检测雷击所产生的电场强度确定风力发电机的受损，在实现雷电监测的同时，大量降低成本。

可选的，所述步骤C之前还包括识别出现雷电图像的步骤，包括：

对所采集的图像行滤波处理，消除图像噪声；

将图像进行灰度转换，有彩色图像转换为灰度图像；

将当前帧图像与前一帧图像的各个像素点的灰度值进行差分运算，并将运算结果存放至一个数组当中；

当数组中出现连续像素灰度差超过预期值时，认为当前帧图像出现雷电。

由上，通过筛选出所拍摄的出现雷电的图像，进一步降低后期判断风力发电机是否被击中的工作量。

可选的，步骤C中工控机依据时间戳将雷电图像和瞬时电场强度进行匹配。

由上，通过判断同一时间产生的雷电图像和瞬时电场强度，即可将二者进行匹配。

附图说明

图1为风电场雷电监测系统的原理示意图；

图2为工业相机的启动时延示意图；

图3为工业相机的停止时延示意图；

图4为工业相机的排布示意图；

图5为风电场雷电监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明风电场雷电监测系统及方法的实施例进行详细描述。

如图1所示，风电场雷电监测系统包括工控机10，以及分别与工控机10连接的电场仪20、工业相机30和电场天线40。

所述电场仪20用于检测地面电场强度。

在晴天时，地面电场带电量为50～300V/m，临下雨前地面电场带电量可达到0.3～1KV V/m，而稳定降水时，地面电场带电量为0.5～3V/m，当大雨、雷暴或阵雨等天气时，地面电场带电量为2～10V/m。通过电场仪20检测地面电场强度，可实现对当地上空一定距离范围内云层带电状态进行准确判断。

工控机10接收电场仪20所检测的地面电场强度，依据所述地面电场强度输出控制信号，以启动工业相机30。启动的时延时间T_启动根据所述地面电场强度确定，地面电场强度越高则时延时间越短，地面电场强度越低则时延时间越长。所述工业相机30的启动时延时间控制如图2所示，采用反时限特性曲线法，预设地面电场强度的上限值E_max和下限值E_min，当地面电场强度E＜下限值E_min时，无需启动工业相机30。当下限值E_min＜地面电场强度E＜上限值E_max时，启动的时延时间式中T₁为时间常数，k₁为曲线形状常数，通常在0～2之间取值。k₁取值越大则曲线形状越陡，即时延启动的时间随地面电场强度增大而减小的越快。a为曲线水平移动常数，取值为1。当地面电场强度E＞上限值E_max时，启动的时延时间T_启动取最低值T_min。

相应的，当工业相机30启动后，出现地面电场强度E逐渐下降时，工控机10控制关闭工业相机30。关闭的时延时间T_停止根据所述地面电场强度E确定，如图3所示，当地面电场强度E＞上限值E_max时，无需停止工业相机30，当下限值E_min＜地面电场强度E＜上限值E_max时，停止的时延时间同样的，式中T₂为时间常数，k₂为曲线形状常数，a为曲线水平移动常数，取值为1。当地面电场强度E＜下限值E_min时，关闭的时延时间T_停止取最低值T_min。工业相机30采用以上的启停模式可以有效地避免因地面电场的波动和不稳定而导致其不正确的启停，同时也能缩短拍摄时间，进而减少后文中所述图像处理的工作量。

工业相机30用于连续拍摄雷电图像，并将所拍摄图像反馈上传至工控机10。

较佳的，如图4所示，所述工业相机30包括第一工业相机301，第二工业相机302、第三工业相机303和第四工业相机304，四个工业相机分别朝向风电场的不同角度，由此所拍摄的图像可以覆盖整个风电场而无死角。

另外，上述四个工业相机也可分别设置于风电场的四角，以覆盖整个风电场。

较佳的，所述工业相机30与工控机10之间，还包括图像识别单元（未图示），用于依据工业相机30所拍摄前后帧图像的差别，以识别出现雷电的图像，并将其发送至工控机10。

具体来说，图像识别单元中包括依次连接的：

滤波模块，用于对所拍摄的图像行滤波处理，消除图像噪声；

像素灰度转换模块，与滤波模块连接，用于改变图像的色彩属性，将所拍摄的彩色图像转换为灰度图像。转换后的灰度图像的每一个像素点用一个字节表示其灰度值。灰度值在0～255之间，其数值越大，表示该像素点越白（即亮度高），数值越小就越黑。本实施例中通过对像素颜色深度属性的对比进行判断。

灰度偏差计算模块，与像素灰度转换模块连接，用于将当前帧图像与前一帧图像的各个像素点的灰度值进行差分运算，并将运算结果存放至一个数组I（xi,yj）当中。其中，数组中的x表示横坐标，y表示纵坐标；i、j分别表示横坐标或纵坐标像素点的序数。

灰度偏差判断模块，与灰度偏差计算模块连接，用于判断当连续像素灰度差超过预期值时，即认为当前帧图像中出现雷电，将当前帧图像传输至工控机10。

由上可知，图像识别单元比较当前帧图像与上一帧图像的差别，当未出现雷电时，由同一工业相机所采集的相邻两帧图像像素颜色差并无明显改变；而当出现雷电时，相邻两帧图像像素颜色差较大。由此仅向工控机10传输工业相机采集到的出现雷电的图像，以减少后期的工作量，节省时间，提高效率。

电场天线40用于检测雷电发生时所产生的瞬时电场强度E_peak，并将所检测的瞬时电场强度反馈传输至工控机10。

进一步的，还包括一时钟单元（未图示），分别与工控机10、工业相机30和电场天线40连接，用于向上述装置提供时间戳。

所述工控机10分别接收工业相机30所拍摄图像以及电场天线40所检测的瞬时电场强度，依据时间戳将同一时刻的雷电图像与其所产生的瞬时电场强度E_peak相组合，输出至显示单元（未图示）显示。

风电场中各风力发电机的编号，彼此距离以及各风力发电机与电场天线40的距离已知。因此，用户依据所述出现雷电的图像判断风力发电机是否被击中，以及被击中的风力发电机的编号。

进一步的，依据被击中的风力发电机与电场天线40的距离D计算被击中的雷电流峰值I_peak，所述I_peak=0.0334DE_peak。当雷电流峰值I_peak大于安全值时，表示风力发电机需要检修。

相应的，本发明还提供一种风电场雷电监测方法，如图5所示，包括步骤：

S1：电场仪20检测地面电场强度。

由于下雨天气导致地面电场带电量的增加，故由电场仪20实时检测地面电场强度，该地面电场强度可直观反映高空云层电场的变化，电场仪20将所检测的信息发送至工控机10。

S2：工控机10依据地面电场强度控制工业相机30的开启。

控制工业相机30的时延启动控制如图2所示，采用反时限特性曲线法，预设地面电场强度的上限值E_max和下限值E_min，当地面电场强度E＜下限值E_min时，无需启动工业相机30，返回步骤S1。

当下限值E_min＜地面电场强度E＜上限值E_max时，时延启动的时间

当地面电场强度E＞上限值E_max时，时延启动的时间T_启动取最低值T_min。

S3：控制启动工业相机30，电场天线40检测雷电发生时所产生的瞬时电场强度。

工业相机30连续拍摄雷电图像，而电场天线40则实时检测雷电所产生的瞬时电场强度。所采集的雷电图像以及雷电所产生的瞬时电场强度均被加盖时间戳。

在所述步骤S3之后还包括步骤S3＇（未图示）：识别出工业相机30所采集到的出现雷电的图像。

所述步骤S3＇具体包括：对所采集的图像行滤波处理，消除图像噪声，并将图像进行灰度转换，有彩色图像转换为灰度图像，并将当前帧图像与前一帧图像的各个像素点的灰度值进行差分运算，并将运算结果存放至一个数组I（xi,yj）当中，当前后两帧图像出现连续像素灰度差超过预期值时，即认为当前帧图像出现雷电，将加盖时间戳的当前帧图像传输至工控机10。

步骤S4：工控机将同一时刻的雷电图像与其所产生的瞬时电场强度相匹配。

工控机10分别接收出现雷电的图像以及雷电的瞬时电场强度，依据时间戳将同一时刻的雷电图像与其所产生的瞬时电场强度相匹配，输出至显示单元以显示。

步骤S5：选取发生雷电时的图像，判断被击中的风力发电机，以及计算被击中的雷电流峰值。

用户依据所述雷电图像判断是否有风力发电机被击中，以及被击中的风力发电机的编号。由于包括多个工业相机30，因此可以实现对整个风电场进行无死角拍摄，方便用户通过图像确认被雷电击中的风力发电机的编号。

进一步的，依据被击中的风力发电机与电场天线40的距离D计算被击中的雷电流峰值I_peak，所述I_peak=0.0334DE_peak。当雷电流峰值I_peak大于安全值时，表示风力发电机需要检修。

另外，还包括步骤S5＇（未图示），即当工业相机30启动后，工控机10依据地面电场强度控制工业相机30关闭。

当下限值E_min＜地面电场强度E＜上限值E_max时，时延停止的时间

当地面电场强度E＜下限值E_min时，时延关闭的时间T_停止取最低值T_min。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电场雷电监测系统，其特征在于，包括：

工业相机，用于连续拍摄风电场的雷电图像；

电场天线，用于检测雷电所产生的瞬时电场强度；

工控机，分别与工业相机和电场天线连接，用于将所述雷电图像与瞬时电场强度进行匹配。

2.根据权利要求1所述的风电场雷电监测系统，其特征在于，还包括电场仪，用于检测风电场所在位置的地面电场强度；

所述工控机还与电场仪连接，用于依据地面电场强度控制工业相机开启。

3.根据权利要求2所述的风电场雷电监测系统，其特征在于，工控机依据反时限特性曲线控制工业相机开启的时延时间。

4.根据权利要求1所述的风电场雷电监测系统，其特征在于，所述工业相机至少包括第一工业相机，第二工业相机、第三工业相机和第四工业相机，所述四个工业相机分别朝向风电场的不同角度设置。

5.根据权利要求4所述的风电场雷电监测系统，其特征在于，所述工业相机与工控机之间，还包括图像识别单元，用于依据工业相机所拍摄前后帧图像的差别，识别出现雷电的图像。

6.根据权利要求5所述的风电场雷电监测系统，其特征在于，所述图像识别单元包括：

滤波模块，用于对所采集的图像行滤波处理，消除图像噪声；

像素灰度转换模块，与滤波模块连接，用于对改变图像的色彩属性，将所拍摄的彩色图像转换为灰度图像；

灰度偏差计算模块，与像素灰度转换模块连接，用于将当前帧图像与前一帧图像的各个像素点的灰度值进行差分运算，并将运算结果存放至一个数组当中；

灰度偏差判断模块，与灰度偏差计算模块连接，用于判断当连续像素的灰度差超过预期值时，认为当前帧图像中出现雷电。

7.根据权利要求4所述的风电场雷电监测系统，其特征在于，还包括时钟单元，分别与工业相机和电场天线连接，用于分别对工业相机所拍摄的雷电图像和电场天线检测的瞬时电场强度加盖时间戳。

8.一种风电场雷电监测方法，其特征在于，包括步骤：

A、电场仪检测地面电场强度；

B、工控机依据地面电场强度控制工业相机开启；

C、电场天线检测雷电所产生的瞬时电场强度，工控机接收工业相机所拍摄的雷电图像，以及接收电场天线检测的雷电所产生的瞬时电场强度，将所述雷电图像与瞬时电场强度进行匹配；

D、判断被击中的风力发电机编号，计算雷电流峰值。

9.根据权利要求8所述的风电场雷电监测方法，其特征在于，所述步骤C之前还包括识别出现雷电图像的步骤，包括：

对所采集的图像行滤波处理，消除图像噪声；

将图像进行灰度转换，有彩色图像转换为灰度图像；

将当前帧图像与前一帧图像的各个像素点的灰度值进行差分运算，并将运算结果存放至一个数组当中；

当数组中出现连续像素灰度差超过预期值时，认为当前帧图像出现雷电。

10.根据权利要求8所述的风电场雷电监测方法，其特征在于，步骤C中工控机依据时间戳将雷电图像和瞬时电场强度进行匹配。